【センサーの原理】圧力センサーの動作原理とその応用

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この投稿は、2016年3月22日15時46分に王天泽によって最終的に編集されました。圧力センサーの動作原理とその応用――転載です。圧力センサーは、産業界で最もよく使用されるセンサーの一種であり、水力発電や鉄道輸送、スマートビル、生産自動制御、航空宇宙、軍事、石油化学、油田、電力、船舶、工作機械、パイプラインなど、多くの産業分野で広く利用されています。ここでは、よく使われる圧力センサーの原理とその応用について簡単に紹介します。 1. ひずみゲージ式圧力センサーの原理と応用　力学センサーには多種多様なものがあり、例えば抵抗型ひずみゲージ式圧力センサー、半導体ひずみゲージ式圧力センサー、圧電式圧力センサー、インダクタンス式圧力センサー、容量式圧力センサー、共振式圧力センサー、および容量式加速度センサーなどがある。しかし、最も広く利用されているのは圧電式圧力センサーであり、極めて低価格で高い精度と良好な線形特性を備えている。ここでは、主にこの種のセンサーについて紹介します。 圧抵抗式力センサーを理解するにあたり、まずは抵抗歪みゲージという素子について知っておきましょう。抵抗式ひずみゲージとは、測定対象物のひずみ変化を電気信号に変換するセンサーです。それは圧電型ひずみセンサーの主要な構成要素の一つです。抵抗式ひずみゲージで最も多く使用されているのは、金属抵抗式ひずみゲージと半導体ひずみゲージの2種類です。金属抵抗式ひずみゲージには、ワイヤー状ひずみゲージと金属箔状ひずみゲージの2種類がある。通常、ひずみゲージは特殊な接着剤を用いて、機械的なひずみが生じる基材に密着して接着されます。基材に力が加わって応力が変化すると、抵抗型ひずみゲージも同様に変形し、その結果ひずみゲージの抵抗値が変わり、それによって抵抗にかかる電圧も変化します。この種のひずみゲージは、力が加わった際に生じる抵抗値の変化が通常小さく、一般的にはひずみブリッジを構成し、後続の計測アンプによって増幅された後、処理回路（通常はA/D変換器やCPU）に送信されて表示されたり、アクチュエーターを駆動したりする。 金属抵抗ひずみゲージの内部構造　抵抗ひずみゲージは、基材、金属製のひずみワイヤまたはひずみフォイル、絶縁保護片、およびリード線などの部品で構成されている。用途に応じて、抵抗型ひずみゲージの抵抗値は設計者によって決定できるが、抵抗値の範囲には注意が必要である。抵抗値が小さすぎると、必要な駆動電流が大きくなり、同時にひずみゲージ自体が発熱して温度が過度に上昇する。また、使用環境が異なるとひずみゲージの抵抗値が大きく変化し、出力のゼロ点が明らかにドリフトし、ゼロ調整回路も過度に複雑になる。また、抵抗が大きすぎ、インピーダンスも高く、外部の電磁干渉に対する耐性が低い。一般的には数十オームから数十キロオーム程度です。 抵抗式ひずみゲージの動作原理 金属抵抗式ひずみゲージの動作原理とは、基材に付着したひずみ抵抗体が機械的変形に伴って抵抗値が変化する現象で、通称して抵抗式ひずみ効果と呼ばれます。金属導体の抵抗値は次の式で表すことができる：
式中：ρ——金属導体の抵抗率（Ω・cm²/m）
S——導体の断面積（cm²）
L——導体の長さ（m）

金属線のひずみ抵抗を例に取ると、金属線が外力を受けるとその長さや断面積が変化する。上記の式からも容易にわかるように、その抵抗値も変化する。もし金属線が外力によって伸びると、長さが増えて断面積が減少し、その結果抵抗値は増大する。金属線が外力によって圧縮されると、長さは短くなり断面積は増加し、抵抗値は低下する。抵抗に加わる変化を測定すれば（通常は抵抗両端の電圧を測定する）、ひずみゲージワイヤーのひずみ状態を把握できる。 2、セラミック圧力センサの原理と応用
耐腐食性を持つセラミック圧力センサでは液体が介在せず、圧力が直接セラミックディスクの前面に作用してディスクに微小な変形を生じさせる。セラミックディスクの裏面には厚膜抵抗が印刷されており、これらが組み合わさってワイスブリッジ（閉ループブリッジ）を形成する。圧力敏感抵抗の圧力抵抗効果により、ブリッジから圧力に比例し、かつ駆動電圧にも比例する高い線形性を持つ電圧信号が生成される。標準的な信号値は圧力範囲に応じて2.0 / 3.0 / 3.3 mV/Vなどと規定されており、ひずみ型センサとも互換性がある。レーザー校正により、センサーは高い温度安定性と時間安定性を備えており、0～70℃の範囲で自己温度補正が可能で、ほとんどすべての媒体と直接接触することができます。 セラミックスは、高い弾性、耐腐食性、耐摩耗性、耐衝撃性、および耐振動性を持つことで知られている材料です。セラミックスの熱安定性とその厚膜抵抗により、動作温度範囲は-40～135℃まで広がり、かつ高精度かつ高安定性な測定が可能となる。電気絶縁度＞2kV、出力信号が強く、長期安定性に優れている。高い性能と低価格を誇るセラミックセンサーは、圧力センサーの発展の方向性となっており、欧米では他のタイプのセンサーに完全に置き換わる傾向にあります。中国でも、拡散シリコン製の圧力センサーの代わりにセラミックセンサーを使用するユーザーが増えています。 3、拡散シリコン圧力センサーの原理と応用　動作原理　測定対象となる媒体の圧力が、センサーの膜（ステンレス鋼またはセラミック）に直接作用し、媒体の圧力に比例した微小な変位を膜に生じさせる。これによりセンサーの抵抗値が変化し、電子回路がこの変化を検出して、その圧力に対応する標準的な測定信号を出力する。 4、サファイア圧力センサーの原理と応用　ひずみ抵抗式の動作原理を利用し、シリコン・サファイアを半導体センサー素子として使用することで、比類のない計測特性を持っている。 サファイア系は単結晶の絶縁体元素で構成されており、遅れや疲労、クリープ現象は起こりません；サファイアはシリコンよりも頑丈で、硬度が高く、変形しにくい；サファイアは非常に優れた弾性と絶縁特性（1000OC以下）を持っているため、シリコン・サファイアで作られた半導体センサーは温度変化に鈍感であり、高温環境下でも良好な動作特性を発揮します；サファイアの放射線耐性は非常に高い；また、シリコン・サファイア半導体センサーはp-nドリフトがないため、製造工程が根本的に簡素化され、再現性が向上し、高い歩留まりが確保されます。 シリコン・サファイア半導体センサーを使用した圧力センサーやトランスミッタは、最も過酷な作業環境下でも正常に動作し、信頼性が高く、精度も良く、温度による誤差が極めて少なく、コストパフォーマンスに優れています。 表圧用圧力センサーおよびトランスミッターは、チタン合金製の測定膜とチタン合金製の受信膜という2つの膜で構成されています。異質エピタキシャルひずみセンシングブリッジ回路が印刷されたサファイア薄板が、チタン合金製の測定ダイヤフラムにはんだ付けされている。測定される圧力は受信ダイアフラムに伝達される（受信ダイアフラムと測定ダイアフラムはラッチ棒によってしっかりと接続されている）。圧力の作用により、チタン合金製のディスクが変形し、この変形はシリコン・サファイア製のセンサーによって検出される。その結果、ブリッジ回路の出力が変化し、その変化量は測定される圧力に比例する。 センサーの回路は、ひずみブリッジ回路への電力供給を確保し、ひずみブリッジのアンバランス信号を統一された電気信号（0～5、4～20mA、または0～5V）として出力します。絶対圧力センサーおよびトランスミッターにおいて、サファイア薄板がセラミックベースのガラスはんだと接続され、弾性要素として機能し、測定対象の圧力をひずみゲージの変形に変換することで、圧力測定を実現します。 5、圧電式圧力センサーの原理と応用　圧電センサーで主に使用される圧電材料には、石英、ケイ酸カリウムナトリウム、リン酸ジヒドロアミンがある。その中で石英（二酸化ケイ素）は天然の結晶であり、圧電効果はこの結晶の中で発見されたものです。一定の温度範囲内では圧電特性は常に存在しますが、その範囲を超えると圧電特性は完全に消失します（この高温がいわゆる「キュリー点」です）。応力の変化に伴う電場の変化が微小であるため（つまり圧電定数が比較的低い）、石英は次第に他の圧電結晶に置き換えられていった。一方、ケイ酸カリウムナトリウムは非常に高い圧電感度と圧電係数を持っているが、室温かつ湿度が比較的低い環境でのみ使用可能である。リン酸ジヒドロアミンは人工結晶に属し、高温やかなり高い湿度に耐えられるため、広く利用されています。 現在、圧電効果は多結晶にも応用されており、例えばバリウムチタネート圧電セラミックス、PZT、ニオブ酸塩系圧電セラミックス、鉛ニオブマグネシア酸塩圧電セラミックスなどがある。 圧電効果は圧電センサーの主要な動作原理であり、圧電センサーは静的な測定には使用できない。なぜなら、外部力が加わった後の電荷は、回路の入力インピーダンスが無限大である場合にのみ保持されるからである。実際の状況はそうではないため、圧電センサーは動的な応力のみを測定できることになる。 圧電センサーは主に加速度、圧力、力などの測定に使用されます。圧電式加速度センサーは、よく使われる加速度計の一種です。それは、構造がシンプルで体積が小さく、重量が軽く、使用寿命が長いといった優れた特徴を持っています。圧電式加速度センサーは、航空機、自動車、船舶、橋梁、建築物の振動や衝撃の測定において広く利用されており、特に航空・宇宙分野においては特別な位置を占めている。圧電式センサーは、エンジン内部の燃焼圧力や真空度の測定にも使用できる。**工業分野でも利用でき、例えば銃弾が薬室で発射される瞬間の薬室圧の変化や砲口の衝撃波圧力を測定するために使われます。それは大きな圧力を測定するのにも、微小な圧力を測定するのにも使えます。